Energieautarker sensorischer Kugelgewindetrieb

Die Verfügbarkeit von Werkzeugmaschinen spielt im heutigen Wettbewerb eine wichtige Rolle zur Produktivitätssteigerung. Aus dem Stand der Technik geht hervor, dass der Kugelgewindetrieb eine der am häufigsten ausfallenden Einzelkomponenten von Vorschubachsen ist und Verschleiß einen wesentlich Grund für die reduzierte Verfügbarkeit darstellt. Weiterhin ermöglicht die Zustandsüberwachung, ungeplante Maschinenausfälle zu vermeiden und die Verfügbarkeit der eingesetzten Produktionsmittel zu steigern. Der Einsatz zusätzlicher Sensoren erlaubt dabei eine direkte Erfassung verschleißkorrelierender Messgrößen. Um hierfür den erforderlichen Integrationsaufwand zu reduzieren sowie die Robustheit, Zuverlässigkeit und Übersichtlichkeit im industriellen Umfeld zu steigern, bieten sich energieautarke Sensorsysteme an. In der vorliegenden Arbeit wird ein energieautarker sensorischer Kugelgewindetrieb entwickelt und erforscht, der die Vorspannung als verschleißkorrelierende Messgröße erfasst und somit den Verschleißzustand überwachen kann. Der Prototyp misst die Vorspannung mit Kraftsensoren auf Basis von Dehnmessstreifen. Eine mikrocontrollerbasierte Elektronik verarbeitet, digitalisiert und versendet die Messsignale drahtlos über das standardisierte ZigBee-Funkverfahren. Über ein hybrides System wird die Energieversorgung sichergestellt. Die elektrische Energie wird zum einen über einen Schrittmotor-Generator aus der Verfahrbewegung des Kugelgewindetriebs gewonnen. Zum anderen wird über berührungslose Energieübertragung ein Energiezwischenspeicher auf Basis von Superkondensatoren in stationärer Position wieder aufgeladen. Die Verifizierung des prototypischen Aufbaus erfolgt durch umfangreiche Messreihen und Analysen der sensorischen und energetischen Eigenschaften des Sensorsystems. Ferner werden die Funktionsweise des Kugelgewindetriebs sowie die Vorspannkraftsignale bei unterschiedlich eingestellten Vorspannungen untersucht. Dazu wird in Dauerversuchen verschleißbedingter Vorspannungsverlust festgestellt, was dazu führen kann, dass rechtzeitig Instandhaltungsarbeiten geplant werden können.